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美国一直积极研制吸气式超声速巡航导弹,实现快速打击的梦想,图为B-52机翼下方挂载的X-51A飞行器。
高门槛让提速举步维艰
无论什么类型的高超声速飞行器,其最关键的技术核心都是动力系统。为了回避空气阻力,高超声速必然与“高高度”相伴,洲际弹道导弹与空天飞机的主要高速飞行段都在接近真空的太空,亚轨道滑翔飞行器运行在空气密度极低的亚轨道空间,而吸气式高超声速飞机/巡航导弹虽然仍在大气层内,但也只能在2万米以上的超低气压环境中飞行。
没有空气,意味着传统喷气式发动机无法使用,速度的奥秘只能是动力系统的革命。以目前的科技水平,真空环境下飞行器可供使用的只有火箭发动机,但火箭发动机需要带庞大的氧化剂储运箱,占用了有效负载吨位,在大气层内飞行时效率很差。真正的空天飞机要想自由往返于大气层内外,就必须至少准备两套动力系统,即大气层内的喷气发动机或超燃冲压发动机,以及大气层外的火箭发动机,这意味着无法避免的单空域庞大死重。而当空天飞机返回大气层后,没有了外置火箭助推,仅凭空天飞机自身发动机的推力,再次脱离第一宇宙速度的难度极大。因此,可供作战使用的真正空天飞机离成熟还很远。
对于亚轨道滑翔飞行器来说,其如果在亚轨道近真空环境中使用火箭发动机,氧化剂死重仍然是个问题。所幸发动机的点火高度正好在大气层边缘,超燃冲压发动机在35000米高度仍可以工作。但这对发动机的技术性能提出了更高要求,由于可工作时间很短,其必须能够在点火瞬间即提供足以将飞行器送上波峰的强大推力,而此时空气已非常稀薄,发动机工况极其恶劣。
因此,目前最有实用前景,技术相对更成熟的高超声速飞行器为吸气式高超声速飞机/巡航导弹,美俄等国目前的研发重点也正是该类武器。要想在10年后将其投入实战,关键就要看超燃冲压发动机能否在技术及可靠性上取得重大突破。
超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机。超声速或高超声速气流在进气道扩压到较低超声速,然后燃料从燃烧室壁面的突出物喷入与空气混合并燃烧,最后,燃烧后的气体经扩张型喷管排出。超燃冲压发动机的工作窗口极其狭窄,错过一点点,超声速燃烧就不能维持。另一方面,温度升高使声速升高,不及时补偿的话,也会破坏超声速燃烧的条件。使用超燃冲压发动机的美国X-51A巡航导弹的多次试飞都不是很成功,发动机最长一次持续工作时间也只有300秒,离实用化还差的很远。
高超速声速巡航导弹要想在10年后将其投入实战,关键就要看超燃冲压发动机能否在技术及可靠性上取得重大突破。
高超声速飞行器需要解决的技术问题绝非仅有发动机一个,速度与机动悖论也让人头疼。物理学基本常识告诉我们,物体速度越块,其运动惯性就越大,改变速度矢量的难度也越大。此外,随着飞行高度上升,空气密度越来越低,飞行器的气动面舵效越来越弱。在此情况下,为了保证飞行器的方向可控,就必须采用发动机推力矢量系统来强行改变飞行轨迹。在高超声速飞行中赋予飞行器强大的外力过载,将让飞行器的结构与材料强度面临严峻挑战。
对于亚轨道滑翔飞行器来说,其还面临另外一个技术问题。该类飞行器的飞行高度正好与35000到80000米的“黑障”高度重合,此时飞行器最大速度可达20马赫左右,虽然空气稀薄,但剧烈的气动加热仍可能导致飞行器被电离层包裹,电磁波信号将被电离层阻隔,飞行器雷达无法搜索目标,自身也很难接收导航或目标坐标信息,外界很难对飞行器做遥控操作。
高超声速是人类过去很少进入的速度区间,对飞行器在高超声速条件下的工作状态,人类还知之甚少。除发动机、飞行控制与“黑障”等难题外,高超声速飞行器还需跨越低成本耐高温材料、低阻外形设计等各种技术障碍。因此,虽然相关科技进步很快,但人类目前在技术上可供实战的高超声速武器其实仍然只有弹道导弹一种。
美国HTV-2项目发展并不顺利,两次试验都以失败告终,反倒是美国陆军的高超项目——AHW发展顺利。
弹道导弹的猜疑链困境
美国空军与海军均曾认真研究过洲际弹道导弹的常规改装方案。洲际弹道导弹可能算是世界上最早符合“1小时打遍全球”理念的高超声速武器,从东亚发射的洲际弹道导弹理论上仅需30分钟就能击中北美目标。其再入段突防速度可达10马赫左右,具有很强的突防能力。在传统携带核弹头的洲际弹道导弹上改装常规战斗部不存在任何技术门槛。其所面临的最大技术问题是命中精度,早期洲际导弹采用惯性制导,该类导弹在不加任何修正措施的情况下,圆概率误差可以高达数千米,对于常规精确打击来说,此命中精度已经没有实战意义。
然而现代洲际导弹的打击精度已今非昔比。美国空军的陆基“民兵”-3洲际导弹圆概率误差已能控制在130米内,海基潜射的“三叉戟”-2D5更是达到90米惊人水平。美国与俄罗斯的现代洲际导弹均采用了星光辅助制导等措施。这让现代洲际导弹命中精度已经可以满足打击固定点目标的要求。